基于FLOW-3D软件的旋流起旋室水力特性数值模拟

丁晓唐　徐大雷　朱　峰

(河海大学 土木与交通学院， 南京　210098)



基于FLOW-3D软件的旋流起旋室水力特性数值模拟

丁晓唐徐大雷朱峰

(河海大学 土木与交通学院， 南京210098)

摘要：文章采用FLOW-3D软件，通过RNG k-ε模型和volume of fluid(VOF)方法相结合，实现了竖井水平旋流泄洪洞水力特性的三维水流流场数值模拟；对开敞式进水口轴线与旋流洞轴线交角不同时起旋室的压强分布、旋流角和紊动能等水力特性进行了对比分析研究，数值模拟能够客观地反映起旋室旋流的流场特性，成果可为旋流溢洪道的研究应用提供参考．

关键词：VOF方法；k-ε紊流模型；水平旋流；紊动能；三维数值模拟

图1　竖井溢洪道结构体型

竖井溢洪道由进水口、竖井、起旋室及旋流洞等组成，竖井溢洪道结构体型如图1所示．水流从进水口进入竖井，竖井段设置的折坎使水流在下泄的过程中卷入大量的空气，使得竖井段的含气量增加，可以有效减少水流对竖井壁的空蚀，有利于保护建筑物结构，并且可以改善水流流态，减少由于水流紊动造成竖井的振动，减少了由于振动对结构造成损害．对于旋流的研究主要是通过水工模型试验[1-3]，但试验模型通过存在一定的缩尺效应，且无法直接量测内部流动参数；随着对于紊流模型研究的不断深入，数值模拟[4-7]逐渐成为研究竖井水平旋流的新技术．本文通过FLOW-3D软件，分别建立进水口轴线与旋流洞轴线交角分别为0°、45°和90°时的水平旋流消能溢洪道三维模型，计算了不同交角时起旋室的压强分布、旋流角和紊动能等水力特性．

1数值模型

1.1VOF方法

对于带有自由液面的水流在数值模拟计算中，通常使用Volume of Fluid(VOF)[8]法．VOF法可以处理变化复杂的水流自由表面，对于较为复杂的气液二相流而言，其基本思想是：定义函数αw(x，y，z，t)和αα(x，y，z，t)分别代表计算区域内水和气占计算区域的体积的相对比例．其中：αw=1，该单元完全为水；αw=0，该单元完全为气；0<αw<1，该单元部分为水，部分为气，具有自由面；

本文研究进行的是竖井溢洪道旋流三维大尺度流动数值计算，采用VOF法是适合的．计算体积函数F表达式：

(1)

式中，ui代表x，y，z方向的流速分量，F是体积函数，xi为坐标分量，Ai代表FLOW-3D软件的x，y，z3个方向FAVORTM面积函数，VF为体积分数，由FLOW-3D软件在建模时定义．

1.2紊流模型

在FLOW-3D软件中，对于紊流模型主要是应用标准k-ε模型、RNGk-ε模型，以及Realizablek-ε模型，本文选取适用于处理流线弯曲程度较大的流动的三维水流RNGk-ε紊流模型[9-10]，控制方程如下．

连续性方程：

动量方程：

紊动动能k方程：

紊动能耗散率ε方程：

2网格划分和边界条件

三维坐标系中：X轴方向与进水口流速方向相反，从进水口至起旋室，总长大约在38 m；Y轴方向为旋流洞水平流速方向，从起旋室至旋流洞出口断面总长约80 m；Z轴方向与水流的重力方向相反，从顶部至起旋室底部，总高约109 m．

2.1网格划分

竖井溢洪道开敞式进水口堰面和起旋室体型复杂，结构极不规则，由于该段体型存在复杂部位，在网格划分时应特别注意．Flow-3D软件是以矩形网格单元来描述模型的几何外形，它提供了均匀性(Uniform 26 Meshes)和非均匀性(Non- uniform Meshes)两种网格形式．本文模型采用均匀性的正立方体网格，网格单元大小为 0.25 m×0.25 m×0.25 m，共产生5 392 138个网格单元．划分网格后利用FAVOR功能查看竖井溢洪道结构，对外形出现不规则形状处进行局部加密．

2.2边界条件

竖井溢洪道竖井段(mesh block 1)的边界条件设定为：上游开敞式进水口边界Y-Max为压力边界(Specified pressure)，在进水口处设置流体域，水位高度设为108 m(即校核工况H=2 008 m)；边界Z-Max为顶部空气入口，设定为Symmetry边界；边界Z-Min为连续边界(Continuative)，此处边界与mesh block 2的边界Z-Max相连接；边界X-Max，X-Min，Y-Min为固壁边界(Wall)．

起旋室内及旋流洞(mesh block 2)的边界条件设定为：起旋室端部设有通气孔，故设置边界X-Min为流速边界(Specified velocity)，通气流速为60 m/s；旋流洞出口部分边界X-Max设置为出流边界(Out flow)；边界Z-Min为连续边界(Continuative)，此处边界与mesh block 1 的边界Z-Min相连接；边界Y-Max，Y-Min，Z-Min为固壁边界(Wall)．

模型边界条件设定如图2所示．

图2　边界条件设定

3计算结果及分析

3.1压强分布

图3～5为3种交角下起旋室断面压强分布，从图中可以看出0°和45°时压强分布较为一致，90°时起旋室压强较大；在离心力作用下起旋室内水流形成旋转流，盲段设有通气孔向起旋室通入空气，使水流在起旋室内形成有稳定空腔的旋转流，含气量的增加也可以有效减少流体、减少起旋室和旋流洞的空蚀．

图3　0°时压强分布图　　　　　　　　图4　45°时压强分布图　　　　　　　　图5　90°时压强分布图

通过图3、图4和图5对比可知，交角为0°、45°和90°时3种体型压强最大值发生均在起旋室底部位置处，分别为792.6、798.3和815.1 MPa，3种体型交角为90°时起旋室底部所受压强值最大；交角为0°和45°旋流中部为负压，而在交角为90°时明显在旋流中部产生了空腔，这有利于水流掺气从而减少水流对结构的空蚀破坏；不同交交角时的压强分布规律相似，表现为由旋流中心至壁面逐渐增大的趋势；变化，沿程也受轴向断面尺寸的影响．因起旋室内的旋流以切向运动为主，故该段壁面压强值最大；起旋室洞底压强比洞顶压强大，这是由于作用于旋流上的质量力有重力和离心力，二者的作用方向在旋流的底部相同，在旋流的顶部相反，因此同一轴向面上环向各点的压强存在一定的差异，旋流的顶部压强最小，底部压强最大，左右两侧压强大致相当，但也存在较小差异．

3.2旋流角

空腔旋流的实际水流速度方向与水平轴向流动速度方向之间的夹角称为旋流夹角[11]．旋流夹角α的表达式为：

(2)

则空腔环流的流速夹角：

(3)

式中，Vθ为切向速度，Vx为轴向速度．

图6是校核工况下起旋室水流的旋流角沿Y轴正向变化曲线．从图中可以看出在桩号0+216 m处旋流角接近90°，说明此处只有切向流速，轴向流速很小；3种工况下旋流角沿Y轴正向是沿程逐渐减小的，交角为0°和45°时旋流角在起旋室变化幅度比较大；在相同桩号处交角为90°旋流角最大，0°时最小，这说明交角为90°产生了较大切向流速而轴向流速却相对更小．

图6　起旋室水流旋转角沿Y变化曲线

3.3紊动特性

紊动能衡量流体紊动物理量，在紊动能较大处，水流湍动剧烈，流体之间相互碰撞产生较大的能量损失．图7绘出了不同交角时旋流室横断面沿X向紊动能变化情况，数值模拟结果表明左侧水流的紊动能较右侧大，表明在这些区域内时均流为紊流支出的能量较多，能量损失较大；同时，水流旋转运动时离心力加大了旋流与壁面的摩擦力，因此水流在起旋室壁面紊动能出现新高；45°和90°时紊动能分布情况基本一致，根据紊动能在起旋室的分布情况及3种角度下沿径向的紊动能大小可以得知，在0°时起旋室横断面的紊动能更大，此时的能量损失更大．

图7　不同交角时沿X向的紊动能

4结论

本文采用RNGk-ε紊流模型结合VOF自由表面处理的方法，对竖井进流水平旋流溢洪道起旋室的水力特性进行了数值模拟，计算得到了压力分布、旋流角和紊动能等水力特性，分析了不同角度时对起旋室上述各个水力特性的影响．得出结论如下：采用RNGk-ε紊流模型计算起旋室的水力特性的效果较好，能真实地反映出起旋室旋流的内部流动和参数的分布规律；相同位置处的旋流角随着交角增大也依次增大；交角为0°、45°和90°时压力分布基本一致；0°时起旋室紊动特性好，能量损失大，消能效果好．

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[责任编辑王康平]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.003

收稿日期：2016-04-12

基金项目：国家自然科学基金项目资助(项目编号：51279052)

通信作者：丁晓唐(1961-)，女，副教授，博士，从事混凝土结构基本理论及近代计算方法研究．E-mail：936365468@qq.com

中图分类号：TV133

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)03-0011-03

Numerical Simulation of Hydraulic Characteristics of Swirling Device Based on FLOW-3D Software

Ding XiaotangXu DaleiZhu Feng

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractThe paper adopts FLOW-3D flow calculation software, through combining the RNG k-ε model and volume of fluid(VOF) method to realize the three-dimensional flow field numerical simulation of hydraulic characteristics of level swirling flow tunnel spillway; meanwhile, the paper conducts the contrast analysis and research on the pressure distribution, velocity distribution and energy dissipation of different crossing angles of open inlet axis and swirling flow tunnel axis. The numerical simulation can objectively reflect the flow field characteristics of rotational flow in swirling device. The results can provide reference for the research and application of swirling energy dissipater for spillway.

KeywordsVOF method;k-ε turbulence model;level swirling flow;turbulent flow energy;three-dimensional numerical simulation